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1、5.6 5.6 桩基础的水平承载力桩基础的水平承载力 1 概述 2 水平荷载和弯矩作用下桩的受力特点 3 按水平静载荷试验确定单桩水平承载力 4 水平荷 载作用下桩身的理论计算1基础工程P166第1页/共95页2思考：直桩，斜桩，叉桩，哪种更有利于承受水平力？第2页/共95页前苏联在砂土中的试验表明，正斜桩的水平承载力最大，直桩次之，反斜桩最小。叉桩由两根以上桩轴方向不同的桩组合而成。当桩轴与铅垂线的夹角从零增加到45时，叉桩中的桩从受弯作用逐步过渡到轴向拉、压作用。3斜桩与直桩的水平荷载-水平位移曲线比较反斜桩直桩正斜桩第3页/共95页5.6.2 5.6.2 桩的相对刚度、相对桩长桩的相对刚
2、度、相对桩长 桩在水平力和力矩的作用下受弯，桩身产生水平变形和弯曲应力。外力的一部分由桩本身承担，另一部分通过桩传给桩侧土体。桩的入土深度不同，在水平力作用下的工作性状也不相同。4刚性桩弹性桩第4页/共95页刚性桩刚性桩 桩径较大、桩的入土深度较小、土质较差 在水平力的作用下，桩身如刚体一样围绕桩轴上某点转动。 水平承载力一般由桩侧土的强度控制。5刚性桩的变形第5页/共95页弹性桩弹性桩 桩径较小、桩的入土深度较大、地基较密实 桩的相对刚度较小 桩的变形呈波状曲线 弹性桩的水平承载力由桩身材料的抗弯强度和侧向土抗力所控制。6弹性桩的变形第6页/共95页相对桩长相对桩长桩打入土中的深度Lt与桩相
4、根桩的水平承载力仍高于单桩。20第20页/共95页216. 6. 桩基工程质量桩基工程质量 目录目录6.1 桩基施工质量检测6.2 桩基承载力检测6.3 灌注桩质量控制基础工程施工技术 p60第21页/共95页226.1 6.1 桩基施工质量检测桩基施工质量检测6.1.1 桩孔质量检测6.1.2 桩位检测6.1.3 混凝土取样与强度测试6.1.4 钻孔取心验桩第22页/共95页23桩基施工质量检测桩基施工质量检测 施工工程中的检测 桩位、孔径、孔斜、孔深、孔形、沉渣厚度、钢筋焊接强度、混凝土试块、灌注过程中混凝土面的位置等。 成桩后的检测 桩的灌注质量、混凝土强度以及桩的承载力等第23页/共9
5、5页246.1.1 6.1.1 桩孔质量检测桩孔质量检测 孔径 孔深 垂直度第24页/共95页251. 1. 孔径和孔形检测孔径和孔形检测p60p60笼式井径仪自制硬木井径仪JJY-1型井径仪，四根测脚，滑线电阻第25页/共95页26孔形检查孔形检查- -超声波法超声波法利用发射和接收的时间差测出传感器和孔壁间的距离。记录仪的走纸速度和传感器上下行走速度成比例，从而可在记录仪上连续绘出孔壁形状、凸凹不平程度及孔中心偏移情况，并可自动绘出不同桩身位置的桩形变位图。第26页/共95页272. 2. 孔深和孔底沉渣检测孔深和孔底沉渣检测 直桩：标准测锤。 锤底直径1315cm， 高2022cm，重4
6、6kg。 斜桩: 超声波检测孔底沉渣厚度 其原理是利用泥浆、沉渣、原状地基土的密度不同 SLD-1数字式桩孔沉渣测厚仪，精度可达1mm。第27页/共95页283. 3. 桩孔垂直度检测桩孔垂直度检测 1钻杆测斜法, 实质是钻孔测斜仪p61 2圆球检测法, tg=e/H 3电子水平仪测斜法第28页/共95页29第29页/共95页306.1.2 6.1.2 桩位检测桩位检测 桩位测点选在桩头的中心点 标在桩位复测平面图上 精密经纬仪或红外测距仪。第30页/共95页316.1.3 6.1.3 混凝土取样与强度测混凝土取样与强度测试试p62p62 灌注过程中留取混凝土试样，检查拌合物的生产质量和配比强
7、度； 钻探取样检查混凝土凝固质量和强度、实际标号； 动测法无损验桩，检查整个桩身的混凝土质量和强度。 试样数量每根桩不得少于一组，每组不少于三块。 一般只做极限或轴心抗压强度检测。第31页/共95页326.1.4 6.1.4 钻孔取芯验桩钻孔取芯验桩 钻孔灌注桩按总桩数的5%10的比例进行钻探取芯验桩。 直径不小于76mm的金刚石钻进工艺，钻取的混凝土芯样直径不小于59mm，芯样采取率要求在98以上，不得低于95。 保存好混凝土芯样 对混凝土芯进行现场素描，作出质量述评。 说明芯样的凝固情况、连续性、密实性、桩基有无沉渣、基岩持力层的岩性和标高、质量病害类型和所处位置等；绘制桩身实际剖面图，标
8、明实际桩长、桩顶和桩底标高、钢筋笼位置、嵌岩深度、与基岩胶结情况等。 不同位置取三个相同尺寸的混凝土芯作为一组试样第32页/共95页336.2 6.2 桩基承载力检测桩基承载力检测 桩基承载力是桩基工程质量最重要的一个指标。 6.2.1 影响桩基承载力的因素分析 6.2.2 单桩承载力的确定方法 6.2.3 单桩荷载试验 6.2.4 桩的动测第33页/共95页346.2.1 6.2.1 影响桩基承载力的因素分析影响桩基承载力的因素分析(1) 桩身穿越土层的强度、变形性质和历史(2) 桩端持力层的强度和变形性质(3) 桩身与桩底的几何形状(4) 桩体材料强度 (5) 群桩效应(6) 桩的施工方法
9、P64第34页/共95页356.2.2 6.2.2 单桩承载力的确定方法单桩承载力的确定方法第35页/共95页366.2.2.1 6.2.2.1 承载力理论公式承载力理论公式niiiuuflAqP1Pu-桩的极限承载力A-桩底面积，m2q-桩底单位阻力，kPa 1N/m2=1Pa 1N/mm2=1MPali-桩穿过第i层土的长度, mu-桩的周长，mfi-第i层土对桩侧的单位摩阻力, kPan-桩所穿过的土层数第36页/共95页37确定确定q qBNDNcNqrqc5 . 0Nc, Nq, Nr-与土摩擦角有关的承载力系数c-土的粘聚力，kN-土的容重，kN/m3D-桩深，mB-桩底直径，m
10、不排水粘土桩 =0,Nq=1,Nr=02. 排水粘土桩 Nc=0, Nr=03. 砂土桩 c=0第37页/共95页386.2.2.2 6.2.2.2 经验公式经验公式铁路桥梁涵桩的承载力 AmuflPiia021RuhCACPa21p66第38页/共95页39路桥桩路桥桩 AmuflPiia021 查表桩底土容许承载力桩底面积查表系数桩底地基土承载力折减查表各土层的极限摩阻力钻孔桩要放大修正桩截面周长各土层厚度桩容许承载力，kPa，mA，m，kPa，f，mu，mlPiia20)(第39页/共95页40嵌承桩嵌承桩RuhCACPa21kPaR，mh；u，mA，CC；Pa,221岩石单轴抗压强度新
11、鲜岩层嵌入深度嵌岩桩孔周长桩底面积查表况有关与岩层破碎度及清底情系数桩容许承载力第40页/共95页416.2.2.3 6.2.2.3 原位测试法原位测试法 端阻力和侧阻力直接用原位试验测得 静力触探、标贯试验和旁压仪试验等。 原位测试法的q值和f值误差小。第41页/共95页421 1静力触探法静力触探法 ssfqFfqqFq00 ，kPaf，kPaqq，FqFfqss触探平均侧阻力桩底平均触探端阻力修正系数侧阻力端阻力00 55. 035. 00045. 026. 00083. 241. 279. 126. 1ssssffFqqFffFqqF粘性土砂土第42页/共95页432 2标贯试验方法标
12、贯试验方法标贯试验测q,f国内少见，日、美国较多。梅耶霍夫(Meyehof)公式，砂层桩504 . 0NfBNhq，mBh；N；N，fq桩截面宽度进入持力层的深度平均标贯击数标贯击数侧阻力端阻力;第43页/共95页443 3旁压仪试验旁压仪试验中国，法国应用较多2011PfPKqpkPaP，Kfqp,5 . 01力旁压仪测得的净极限压钻孔桩取系数侧阻力端阻力第44页/共95页456.2.3 6.2.3 单桩荷载试验单桩荷载试验 单桩垂直荷载试验 单桩水平荷载试验 斜桩静载试验第45页/共95页466.2.3.1 6.2.3.1 单桩垂直荷载试验单桩垂直荷载试验试桩方法荷载装置基准点/梁的设置测
13、量仪表设置加载试验桩底反力、桩身内力及桩周摩阻力的测定试验结果分析第46页/共95页471 1试桩方法试桩方法(1)慢速维持荷载法：下沉量增量，试验周期37天，费工费时费钱。(2)快速维持荷载法：等时间间隔连续加载。(3)等贯入速率法(简单CRP法)按荷载贯入量(即下沉量)曲线确定极限荷载。试验一般进行到累计贯入量5070mm，或设计荷载的3倍，或贯入量至少等于桩径的15，或试桩系统的最大能力。试验在13h内就可完成，试验要求严格。 (4)循环加载卸载试验法：国外用，改变了桩的性状。p68第47页/共95页482. 2. 荷载装置荷载装置p68p68堆重平台装置堆重平台装置锚桩与反力梁锚杆与反
14、力梁锚桩与堆重平台现有构筑物利用山体堆重物：压铁/砼块/水箱/砂袋第48页/共95页49沙包堆载现场实例沙包堆载现场实例第49页/共95页502. 2. 荷载装置荷载装置堆重平台装置锚桩与反力梁锚桩与反力梁锚杆与反力梁锚桩与堆重平台现有构筑物利用山体第50页/共95页512. 2. 荷载装置荷载装置堆重平台装置锚桩与反力梁锚杆与反力梁锚杆与反力梁锚桩与堆重平台现有构筑物利用山体第51页/共95页522. 2. 荷载装置荷载装置堆重平台装置锚桩与反力梁锚杆与反力梁锚桩与堆重平台锚桩与堆重平台现有构筑物利用山体第52页/共95页532. 2. 荷载装置荷载装置堆重平台装置锚桩与反力梁锚杆与反力梁锚
15、桩与堆重平台现有构筑物现有构筑物利用山体第53页/共95页542. 2. 荷载装置荷载装置堆重平台装置锚桩与反力梁锚杆与反力梁锚桩与堆重平台现有构筑物利用山体利用山体第54页/共95页553 3基准点与基准梁的设置基准点与基准梁的设置 作为沉降量测试的基准点和基准梁原则上应该是不动的。 基准桩(点)设在离开试桩及反力桩倍桩径以外。 如果是临时设置的桩，希望设置在5倍以外。第55页/共95页56基准梁安装在基准桩上基准梁一般采用型钢，磁性、刚度大第56页/共95页574 4测量仪表的设置测量仪表的设置第57页/共95页585 5加载试验加载试验目前多为1020级。分为等量加载或递变加载。等量加载
16、为预估极限荷载量的110115，第一、第二级荷载可为1518。试桩曲线-在接近极限荷载时，可按每级荷载量的12l4施加。荷载分级荷载分级沉降稳定标准终止加载条件卸载沉降观测p72第58页/共95页595 5加载试验加载试验荷载分级沉降稳定标准沉降稳定标准终止加载条件卸载沉降观测粘性土：h或15min。砂性土： h；岩石： h。 符合上列标准，并连续出现两次以上，可视为下降停止并达到相对稳定，即可施加下一级荷载。或依下判定：沉降一时间对数曲线尾部出现平缓直线段快速加载时，只要达到规定时间等沉降速率法的沉降速率为h试验期间不得中途变更沉降稳定标准。第59页/共95页605 5加载试验加载试验试压桩
17、达到破坏即终止加载。沉降-荷载曲线 / 沉降-时间对数曲线下列之一即可认为试压桩破坏：某级荷载沉降量为前级沉降量的5倍；某级荷载沉降量大于前级的两倍，且经24小时沉降仍不稳定；荷载超过极限荷载经36小时仍不稳定；桩的总沉降量超过规定值。 荷载分级沉降稳定标准终止加载条件终止加载条件卸载沉降观测第60页/共95页615 5加载试验加载试验卸载要平稳多台千斤顶时应同步一般每隔12h卸除一级荷载。 荷载分级沉降稳定标准终止加载条件卸载卸载沉降观测第61页/共95页625 5加载试验加载试验荷载分级沉降稳定标准终止加载条件卸载沉降观测沉降观测p加载阶段，每加一级荷载，即测读百分表读数，此后，每隔102
18、0min测读一次，直至沉降稳定。p快速加载时，515min测读一次。每级荷载的测读数不少于3次，并求出几个百分表的平均值作为本次结果。p卸载阶段一般是在每级卸载后的1015min测读一次沉降回弹量，测读两次后，每隔半小时测读一次，每级卸载测读次数不少于3次。全部卸载后，每隔34h再读一次。每次测读均须记录，并绘制回弹曲线。第62页/共95页636 6桩底反力、桩身内力及桩周摩阻力的测定桩底反力、桩身内力及桩周摩阻力的测定 桩底反力通过埋入试压桩底的压力盒来测定 压力盒固定于预制的桩尖并随钢筋笼下入孔底。预制的桩尖形状尽量与孔底形状或钻头形状相同，桩尖与孔底接触均匀；桩尖直径与桩孔直径基本一致，
19、使桩尖受压面积与桩身截面积基本相等，以减少实测计算桩底反力的误差。 桩身内力可利用钢筋应变计和混凝土应变计分别测定。 应变片应牢固地粘贴在钢筋上。 每级荷载施加完毕，即测读桩身内力和孔底反力。此后至少在下一级荷载施加之前(即达到沉降稳定时)再测读一次。 根据钢筋及混凝土的应力计算桩各断面上的轴向力。 根据轴向力求桩底反力及桩周摩阻力第63页/共95页64 7 7试验结果分析试验结果分析破坏荷载极限荷载容许荷载现场试验时根据每级荷载作用下桩的沉降值，及时绘出沉降-荷载曲线沉降-荷载对数曲线沉降-时间对数曲线沉降-荷载、桩底反力、桩周摩阻力曲线并根据试桩数据和曲线进行分析，确定单桩垂直极限承载力与
20、容许承载力。第64页/共95页65P-荷载F桩底反力R桩周摩阻第65页/共95页66 7 7试验结果分析试验结果分析破坏荷载破坏荷载极限荷载容许荷载试验达到破坏而终止时的荷载未达破坏而终止，将最后一级荷载视为破坏荷载第66页/共95页67 7 7试验结果分析试验结果分析破坏荷载极限荷载极限荷载容许荷载PcrPu?为破坏荷载的前一级荷载或S-P曲线发生明显陡降的起始点所对应的荷载或SlgP曲线出现陡降直线段起始点所对应的荷载或Slgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载。 第67页/共95页68 7 7试验结果分析试验结果分析破坏荷载极限荷载容许荷载容许荷载2/，KPPKPPcracra安全系数
21、极限荷载容许荷载也有规定某一沉降量时的荷载第68页/共95页696.2.3.2 6.2.3.2 单桩水平静载试验单桩水平静载试验通过试验确定: 桩的水平极限荷载 容许极限荷载 容许水平位移及转角 地基土的水平抗力 计算桩的截面弯矩等。 试验装置 加载试验 试验结果分析第69页/共95页701 1试验装置试验装置p75第70页/共95页712 2加载试验加载试验 循环加载，每级荷载维持410min，测读水平位移，卸载至零， 停25min测读残余水平位移，然后再施加本级荷载， 如此循环56次便完成一组荷载的试验观测， 如此反复，直至加到最大试验荷载或破坏荷载。 每级加载量为预计破坏荷载的11011
22、5 每级卸载量可为相应的两级加载量。 加荷速度2030kNmin，小荷载时，25kNmin。 百分表或位移计观测桩头水平位移和转角。 在桩身内埋设钢筋计和在桩壁土层中埋设压力盒来观测推算桩身截面弯矩与桩壁土抗力 当桩身折断或水平位移超过3040mm时，可终止试验。第71页/共95页723 3试验结果分析试验结果分析 水平力-时间-位移曲线 水平力-位移梯度曲线 水平力-位移曲线 水平力-最大弯矩截面钢筋应力曲线第72页/共95页73水平力时间水平位移水平力时间水平位移第73页/共95页74水平力水平位移梯度水平力水平位移梯度10HcrHu第74页/共95页75水平力最大弯矩截面钢筋应力水平力最
23、大弯矩截面钢筋应力第75页/共95页76试验结果分析试验结果分析水平临界荷载水平临界荷载水平极限荷载水平允许荷载地基系数Hcr指桩身受拉区混凝土明显退出工作前的最大荷载综合确定： 取H0-t-X0曲线出现突变点的前一级荷载。 水平力位移梯度曲线第一直线段的终点所对应的荷载。 取水平力最大弯矩截面钢筋应力曲线第一突变点对应的荷载。第76页/共95页77试验结果分析试验结果分析水平临界荷载水平极限荷载水平极限荷载水平允许荷载地基系数Hu 取H0-t-X0曲线出现突变点的前一级荷载。 水平力位移梯度曲线第2直线段的终点所对应的荷载。取桩身折断或钢筋应力达到屈服极限的前一级荷载。第77页/共95页78
24、试验结果分析试验结果分析水平临界荷载水平极限荷载水平允许荷载水平允许荷载地基系数uHtaHKHkNHK；HuHta,4 . 1,水平极限荷载安全系数荷载性质系数水平允许荷载第78页/共95页79试验结果分析试验结果分析水平临界荷载水平极限荷载水平允许荷载地基系数地基系数3/203/5EIbVXHmxcrcr桩身抗弯刚度时当时当查表桩顶位移系数所对应的水平位移水平临界荷载地基土水平抗力系数EImDDbmDDb，VmHXkNHmxcrcrcr)1(19 . 0),1(5 . 05 . 19 . 0,00第79页/共95页806.2.3.3 6.2.3.3 斜桩静载试验斜桩静载试验 目的：确定桩的轴
25、向承载力、垂直承载力和水平承载力及桩底反力、桩侧土抗力、桩身变形和内应力等。 桩轴线位移和桩侧土抗力的测量一般可用电测位计和土压力盒测定。 斜桩的加载方式、稳定标准和终止加载条件与直桩的垂直、水平荷载试验相同。第80页/共95页816.2.4 6.2.4 桩的动测桩的动测. p79. p79 桩的动测又称桩的无损检测。 检测项目： 桩身混凝土质量 桩径和桩形 桩底软底层 桩的承载力 桩周土的力学性能等。 方法： 机械阻抗法 水电效应法 激震波速法 锤击法 声波法等。 动测技术仍在发展中第81页/共95页82 频率法：桩的自振频率，如机械阻抗法、水电效应法等。属小应变法类。 波速法：桩底反射的弹
26、性波的振幅时间曲线，如激震波速法。30kN以上激振力，属大应变类。 波动方程法：在测定参数的基础上，应用一维波动方程。常见的锤击法属于此类，属大应变类。 声波法：通过声波的传播时间、速度和衰减。第82页/共95页831 1机械阻抗法机械阻抗法p79p79分正弦稳态激振、瞬态激振(冲击)及随机激振三种。第83页/共95页842 2水电效应法水电效应法第84页/共95页85第85页/共95页863.3.激震波速效应法激震波速效应法p80p80带通滤波快速傅氏变换频谱分析浅层地震检测装置示意图1-桩; 2-信号检测波器; 3-激发震源;4-浅层地震仪; 5-计算机; 6-打印机第86页/共95页87桩完整性判据表桩完整性判据表第87页/共95页884 4锤击贯入法锤击贯入法利用桩锤锤击把桩打出一定的贯入度，使桩和土之间产生足够的位移，量测的动力参数有锤击力、加速度、贯入度和桩的位移等。1-试桩;2-标桩;3-基准梁;4-磁性表座;5-测量标点;6-百分表;7-紧固螺栓;8-桩帽;9-桩垫;10-锤击力传感器;11-锤垫;12-导杆;13-落锤;14-卷扬机;15-电桥盒;16-电源;17-动态应变仪;18-光电示波器;19-调压稳压器;20-交流电源;21-工作间 第88页/共95页895 5声波法声波法声波、声幅、频谱裂缝、空洞、夹层、离析、稀释、蜂窝等桩身混
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